Umkehrosmose Wasseraufbereitung durch Umkehrosmose und nachgeschaltete elektrochemische Entsalzung

Die Wasseraufbereitung für verschiedene technische Anwendungen ist mit sehr unterschiedlichen Technologien verbunden. Während in der Vergangenheit die Ionenaustauschertechnologie vorherrschte, sind heute die Membrantechnologie (Umkehrosmose) und – wenn erforderlich – die nachgeschaltete elektrochemische Entsalzung das bevorzugte Verfahren. Der Beitrag beschreibt dieses und informiert über die nötige Vorbehandlung des Wassers.

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Bis auf wenige Ausnahmen ist das vorhandene Trinkwasser das Speisewasser für Aufbereitungsanlagen. Damit ist aufgrund der gesetzlichen Vorgaben in der Trinkwasserverordnung eine bestimmte gute Wasserqualität sicher gestellt. Trinkwasser ist aber nicht überall gleich gut und schon gar nicht optimal für die Verwendung als Speisewasser in einer Reinstwassererzeugungsanlage geeignet. Wie der Name schon sagt, ist es ein für den menschlichen Genuss und Gebrauch geeignetes Produkt mit Güteeigenschaften gemäß den geltenden gesetzlichen Bestimmungen. Trinkwasser enthält viele Salze und organische Bestandteile, die entfernt werden müssen, um die geforderte Speisewasserqualität für den Membrantrennprozess zu erhalten. Insbesondere verschiedene „Schadstoffe“ stören bei der Wasseraufbereitung (s. Tabelle).

Wirtschaftliche Aufbereitung

Wie ist die Wasseraufbereitung nun zu gestalten, damit eine wirtschaftliche Aufbereitung erfolgt? Für jede Störsubstanz sind sehr unterschiedliche Möglichkeiten gegeben, die einen Schaden reduzieren oder sogar sicher verhindern. Das bekannteste Beispiel ist der Einsatz eines Enthärters zur Entfernung der Wasserhärte, d.h. Austausch der härtebildenden Ionen des Calciums und Magnesiums gegen die Natriumionen, die keine festen Niederschläge (Scaling) auf der Membran bilden. Alternativ ist die Dosierung von Chemikalien möglich.

Dabei werden die störenden Substanzen „neutralisiert“ und können auf der Membran nicht ausfallen. Wichtig ist dabei, dass keine Entfernung erfolgt. Auch ist die Dosierung von Säuren möglich, da so die chemische Zusammensetzung des Wassers verändert wird und ein Ausfällen der Wasserhärte zumindest teilweise verhindert werden kann.

Praktischer Einsatz

Auf jeden Fall ist bei einer Auslegung der Wasseraufbereitungsanlage immer anhand einer sorgfältigen Wasseranalyse zu prüfen, welches Verfahren sicher und wirtschaftlich ist. Eine generelle Aussage für eine bestimmte Technologie kann ohne Kenntnis der Analyse und der Produktionsmenge an aufbereitetem Wasser nicht gegeben werden. In der Praxis ist jedoch für kleinere Anlagen die Verwendung eines Enthärters wegen der guten Automatisierung, der sicheren Technologie und der garantierten Entfernung der Störsubstanzen eine oft eingesetzte Technologie.

Zur Beurteilung der möglichen Gefahr einer Membranschädigung durch Trübstoffe wird der Kolloidindex (KI) bestimmt.

Dies kann nicht im Labor erfolgen, sondern muss vor Ort an der Wasserentnahmestelle ermittelt werden. Dazu werden über eine definierte Filterfläche ein Liter Wasser filtriert und die Durchlaufzeit für diese Wassermenge ermittelt. Anschließend wird 15 Minuten das aufzubereitende Wasser über diesen Filter filtriert. Beim Vorhandensein von Trübstoffen oder anderen die Membran verblockende Substanzen (Eisen usw.) wird der Filter langsam belegt, und die erneute Filtration von einem Liter Wasser erfordert eine längere Durchlaufzeit.

Aus den Ergebnissen lassen sich dann Hinweise auf die Menge der störenden Kolloide errechnen. Es handelt sich dabei lediglich um einen Summenparameter, der keine genauen Hinweise auf die Art der Verunreinigt zulässt. Bei einem Wert über drei sollte über eine geeignete Vorbehandlung des Wassers, z.B. eine Ultrafiltration, nachgedacht werden.

Entsalzung durch Umkehrosmose

Die eigentliche Entsalzung, also die Entfernung der ionogenen Inhaltsstoffe, erfolgt in der Umkehrosmose. Diese Technologie basiert auf der Erzeugung eines Druckes an einer synthetischen Membran, der größer ist als der osmotische Druck der wässrigen Lösung. Aufgrund der Naturgesetze muss sich auf der anderen Seiten der Membran eine zweite wässrige Phase einstellen, die praktisch salzfrei ist. Diese wird abgeleitet und in einem drucklosen Behälter gesammelt. Der große Vorteil dieser Technologie ist, dass an den Membranen nicht nur die Salze zurückgehalten werden, sondern auch die vielen anderen Wasserinhaltstoffe (Keime, organische Moleküle usw.).

Da es an den Membranoberflächen zu einer Aufkonzentrierung und somit auch zu eventuellen Ablagerungen kommen kann, ist eine gründliche Vorbehandlung erforderlich. Auch ist zu beachten, dass im Prozess eine deutliche Aufkonzentrierung der Wasserinhaltsstoffe auf der Konzentratseite erfolgt. Die kann je nach Ausbeute der Anlage bis zum vierfachen der Ausgangskonzentration betragen.

Ablagerungen verhindern

Aus diesem Grund hat jede Anlage eine interne Zirkulation, um mit einer hohen Überströmung die Bildung von Ablagerungen zu verhindern. Leider kann diese Technologie die Salze nicht vollständig entfernen, es bleibt immer noch ein Restgehalt von zwei bis fünf Prozent im Permeat (Produktwasser). Deshalb ist oft eine Nachentsalzung erforderlich.

Auch passiert die Kohlensäure die Membran, geht in das Permeat über und verursacht eine gewisse Leitfähigkeit. Um diese zu entfernen, bietet sich ebenfalls ein Membranverfahren an: die Membranentgasung. Dabei wird das Wasser an einer hydrophoben Membran vorbei geführt. Die Gase durchdringen die Membran und werden auf der anderen Seite im Gegenstrom mit einem Strippgas (Luft oder Stickstoff) ausgetragen.

Elektrochemische Entsalzung

Die Restleitfähigkeit wird üblicherweise über einen Mischbettionenaustauscher reduziert. Zunehmend wird aber, besonders bei größerem Bedarf, eine neue Technologie eingesetzt: die elektrochemische Wasserentsalzung EDI. Bei dieser wird die klassische Membrantechnik mit der Ionenaustauschertechnologie gekoppelt. Die nach der Umkehrosmose noch vorhandenen wenigen ionogenen Verbindungen, die positiv oder negativ geladenen Teilchen, werden in ein elektrisches Feld geführt.

In diesem Gleichspannungsfeld mit Anode und Kathode wandern die verschiedenen Teilchen entsprechend ihrer Ladung in Richtung der zugehörigen Elektroden. Damit die einzelnen Ionen besser aus dem System ausgeschleust werden können, sind zusätzliche ionenselektive Ionenaustauschermembranen (CEM und AEM) zwischen den Elektroden angebracht.

Diese verhindern oder erlauben, je nach Bauart, den weiteren Transport der betreffenden positiven oder negativen Spezies. Dadurch kommen Wasserströme mit einer Salzanreicherung zustande. Eine technische Einheit dieser Bauart wird als „stack“ bezeichnet. In einer Anlage sind entsprechend der geforderten Leistung die zugehörige Anzahl dieser Einheiten eingebaut.

Die inzwischen vorliegenden Erfahrungen mit dieser Technologie zeigen, das bei einer permanenten Durchströmung zumindest im Bereich des elektrischen Feldes keine Keimvermehrung auftritt. Möglicherweise ist einer – oder die Kombination – folgender Faktoren die Ursache dafür:

Das elektrische Feld verhindert die Vermehrung.

Die pH Werte von 2 bzw. 13 am Ionenaustauscher wirken keimtötend.

Fazit: Die Kombination einer Umkehrosmoseanlage mit einer EDI- Technologie stellt heute den Stand der Technik dar. Diese Form der Wasseraufbereitung entfernt alle ionogen Wasserinhaltstoffe (Salze) und auch alle organischen Belastungen im Trinkwasser.n

Der Autor ist von der IHK Koblenz vereidigter Sachverständiger für Trink- Rein- und Reinstwasser, Ransbach-Baumbach.

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